DIII-D托卡馬克聚變反應堆內部。 圖片來源：《新科學家》網站

美國科學家在小型托卡馬克反應堆內進行了一項最新實驗，克服了實現穩定且強大聚變反應的兩個關鍵障礙：讓等離子體密度超出限制值20%，并讓更稠密的等離子體保持穩定。但這項技術是否適用于更大設備仍有待驗證。相關論文發表于4月24日的《自然》雜志。

作為不產生二氧化碳的綠色能源，核聚變發電日益受到關注。獲得聚變能的最常見方法是使用托卡馬克裝置。在托卡馬克核聚變反應堆內，氫同位素氘和氚被加熱到超高溫度以產生等離子體，強磁場將這些帶電等離子體約束在“磁籠子”里。但目前，要想讓核聚變反應在“最佳點”運行以獲得最佳發電效率，需要解決兩個難題：提高等離子體密度并有效約束更稠密的等離子體。

在核聚變反應中，存在著所謂的格林沃爾德極限。超過這個極限，如果等離子體不脫離磁場束縛，就無法提高密度，但等離子體掙脫束縛又會損壞反應堆。提高密度對提高發電量至關重要，實驗表明，托卡馬克反應堆的發電量與燃料密度的平方成正比。

在最新實驗中，美國通用原子公司研究團隊讓DIII-D國家聚變設施內的托卡馬克反應堆運行了2.2秒，等離子體平均密度比格林沃爾德限值高20%。至關重要的是，新實驗是在約束改善因子大于1的條件下運行，這意味著等離子體被成功地限制在適當位置。

不過，DIII-D等離子體室的外半徑僅1.6米，目前尚不清楚該方法是否適用于正在法國建設的半徑為6.2米的下一代托卡馬克裝置——國際熱核聚變實驗堆。因為等離子體非常復雜，條件的微小變化會導致行為的巨大變化。

研究人員表示，許多反應堆設計需要同時實現高約束和高密度，這是首次有實驗實現這一點。這一成果向實用核聚變發電廠邁出了重要一步，但商業反應堆可能還需多年才能實現。